Ламбда кислороден датчик (О2)

Автомобилни датчици

Комуникационни интерфейси

Запалителни системи

Други

Дизелови системи

Общо описание
Кислородният датчик, наричан още ламбда сонда, се поставя в потока на отработените газове на двигателя и измерва нивото на съдържание на кислород в отработените газове. Анализирайки осцилограмите на работа на кислородния датчик при различните режими на работа на двигателя, може да се оцени както изправността на самия датчик, така и изправността на системата за управление на двигателя като цяло. Признак на неизправен кислороден датчик са повишения разход на гориво, намаление на динамиката на автомобила, забелижимо понижаване на мощността на двигателя, неустойчива работа на двигателя на празен ход или колебание на оборотите на празен ход.

Външен вид
Външнят вид на кислороден датчик е показан на фиг.1.


Фиг. 1

Типични цветове на кабелите на О2
Черен                   – сигнален (информационен)
Сив                      – „масата” на самия датчик
Бели (два броя)   – захранването 12V на нагревателя

За какво служи и как работи кислородният датчик
За работата на бензиновият двигател е необходима смес с определено съотношение въздух-гориво. Съотношението, при което горивото изгаря максимално пълно и ефективно, се нарича стехиометрично и представлява отношението 14.7 : 1. Това означава. че една част гориво трябва да се смеси с 14.7 части въздух. На практика това съотношение въздух-гориво се променя в зависимост от режимите на работата на двигателя и смесобразуването. Двигателят става неикономичен. Коефициентът на излишък на въздух – L (ламбда) характеризира доколко реалната горивно-въздушна смес е далеч от оптималната (14.7 : 1). Този състав на сместа се приема за оптимален и L = 1. Ако L < 1, значи има недостиг на въздух и сместа е обогатена. Мощността на двигателят се увеличава при L = 0.85 – 0.95. Ако L > 1, значи е налице излишък на въздух и сместа е обеднена. Мощността при L = 1.05 – 1.3 пада, но затова пък расте икономичността. При L > 1.3 сместта престава да се възпламенява и се получават пропуски в запалването. Бензиновите двигатели развиват максимална мощност при недостиг на въздух в порядъка на 5 – 15% (L = 0.85 – 0.95), а минимален разход на гориво се постига при излишък на въздух 10 – 20% (L = 1.1 – 1.2). По такъв начин съотношението L при работата на двигателя постоянно се променя и диапазона 0.9 – 1.1 се явява работен диапазон на ламбда – регулирането. В същото време, когато двигателят е нагрят до работната температура и не развива голяма мощност (например работи на празен ход), е необходимо по възможност много строго спазване на равенството L = 1, за да може трикомпонентния катализатор напълно да изпълни своето предназначение да намали обема на вредните газове до минимум.

Датчикът на кислорода се монтира в изпускателния колектор по такъв начин, че изпусканите газове да обтичат неговата работна повърхност. По същество, той е галваничен източник на ток, който променя напрежението си в зависимост от температурата и съдържанието на кислород в околната среда. В зависимост от концентрацията на кислород в изпусканите газове на изхода на датчика се появява сигнал. Формата на този сигнал зависи от типа на материала, от който е направен датчика. По такъв начин датчикът на кислорода е своеобразен превключвател (тригер), съобщаващ на бордовия контролер за количеството кислород в изпусканите газове. Фронтът на сигнала между положенията “високо” и “ниско” е много малък и може да се пренебрегне. Бордовият контролер приема сигнала от кислородния датчик, сравнява го със стойността, записана в паметта му и ако сигнала са отличава от оптималния за текущия режим, коригира продължителността за вппръскване на гориво в едната или другата посока. По такъв начин се осъществява обратната връзка и точната настройка на режима на работа на двигателя в текущата ситуация с постигане на максимална икономия на гориво и минимални вредни газове.

Видове кислородни датчици

Според използваното веществото в чувствителния им елемент са:
  • Циркониеви (циркониев оксид)
  • Титаниеви (титаниев оксид)
  • Широкополосни
Според конструкцията си:
  • Еднопроводни
  • Двупроводни
  • Трипроводни
  • Четирипроводни

Еднопроводните са се използвали в първите системи за впръскване с обратна връзка (ламбда–регулиране). Еднопроводният датчик има само един извод, който се явява сигнален. Земята на този датчик е изведена на корпус и се свързва с масата на двигателя с резбово съединение.

Двупроводният датчик има отделен кабел за заземяване. Те също са се използвали в първите системи за впръскване с обратна връзка (ламбда–регулиране).

Недостатък на едно и двупроводните датчици е, че работния им температурен диапазон започва от 300 ºС. Преди достигане на тази температура датчикът не работи и не подава сигнал. Необходимо е било датчикът да се монтира колкото се може по-близо до цилиндрите на двигателя, за да може да се нагрява и обтича от най-горещия поток от изпускани газове. Процеса на нагряване на датчика се забавя, което води до задръжка при обратната връзка с бордовия контролер. Освен това, използването на самата тръба за сигнална маса изисква резбата на датчика да се намаже със специална токопроводяща паста, което увеличава вероятността от лош контакт във веригата за обратна връзка.

В трипроводният датчик е вграден специален нагревателен елемент, който е включен винаги при работа на двигателя и съкращава времето за нагряване на датчика до работната му температура. Така също позволява монтирането на датчика в изпускателния колектор, близо до катализатора. Недостатъка при него е необходимостта от токопроводяща смазка.

При четипроводните кислородни датчици – два от изводите са за подгряване, а другите два – сигнални.

Описание работата на датчика от циркониев оксид
Кислородният датчик от циркониев оксид генерира изходен сигнал с напрежение от 40mV¸100mV до 0.7V¸1.0V. Размахът на напрежението на изходния сигнал на изправен кислороден датчик достига ~950mV. При понижено съдържание на кислорода в отработените газове и работа на двигателя при обогатена смес, датчикът генерира сигнал с високо ниво на напрежение 0.65V¸1V. При повишено съдържание на кислорода в отработените газове (обеднена смес) датчикът генерира сигнал с ниско ниво на напрежение – 40mV¸250mV. Изправният кислороден датчик започва да работи само след като чувствителния му елемент се нагрее до температура по-голяма от ~350ºC, когато неговото изходно електрическо съпротивление значително намалява и той придобива способността да променя опорното напрежение, постъпващо от бордовия контролер през резистор с постоянно електрическо съпротивление. В бордовите контролери на повечето производители на двигатели, опорното напрежение е равно на 450mV. Такъв контролер счита кислородния датчик за готов за работа само след като вследствие подгряването на датчика, той може да променя напрежението в диапазон, по-голям от ±150mV ~ ±250mV. Опорното напрежение на кислородния датчик може да има и други стойности. Например, за бордовите контролери, производство на Ford то е равно на 0V, а за бордовите контролери на Daimler-Chrysler то е 5V. Напрежението на изходния сигнал на кислородният датчик, бордовия контролер измерва спрямо сигналната “маса” на датчика. Сигналната “маса” на кислородния датчик в зависомост от неговата конструкция, може да бъде изведена на отделен контакт на куплинга на датчика, а може и да се съединява с корпуса на датчика и в този случай при поставянето на датчика автоматически да се съединява със заземяването на автомобила чрез резбово съединение. Сигналната “маса” на кислородният датчик, изведена с отделен проводник, в болшинството от случаите се съединява със заземяването на автомобила. Но се срещат и блокове за управление на двигателя, при които проводникът на сигналната “маса” се свързва към източника на опорно напрежение. В тези системи измерването на напрежението на изходния сигнал на кислородният датчик бордовия контролер извършва спрямо източника на опорно напрежение, към който е свързана сигналната “маса” на датчика.

Бордовият контролер при загрят двигател оценя по изходния сигнал на нагретия до работна температура кислороден датчик отклонението на състава на горивната смес от стехиометричната (идеално съотношение въздух/гориво). В случай на изгаряне на стехиометрична горивна смес, напрежението на изходния сигнал на кислородния датчик ще бъде равно на 445¸450mV. Но разстоянието от изпускателните клапани на газоразпределителния механизъм до мястото на разположение на датчика и значителното време на реакция на чувствителния му елемент води до известно забавяне на системата, което не позволява непрекъснато поддържане на стехеометричен състав на горивната смес. Практически, при работа на двигателя в установен режим, състава на сместа постоянно се отклонява от стехиометричната в диапазона ±2% ~ ±3% с честота 1 ~ 2 пъти в секунда. Този процес много добре може да се проследи по осцилограмите на изходния сигнал на кислородният датчик. Времето за прехода на изходното напрежение на датчика от едно ниво в друго не трябва да превишава 120mS. Ако това време се увеличи, причината може да бъде или остаряване или отравяне на датчика. Отравянето на датчика може да бъде предизвикано от използването на съдържащи олово или други елементи добавки към горивото или маслото, или използването при ремонта на двигателя на някои видове херметизиращи вещества. Стареенето на датчика е вследствие на неговата продължителна работа в агресивна среда при висока температура.

Анализирайки осцилограмите на напрежението на изходния сигнал на кислородния датчик при различни режими на работа на двигателя, могат да изяснят както неизправности на самия датчик, така и на системата за управление на двигателя като цяло. Ресурсът на кислородния датчик е 20000км¸80000км. Поради стареенето, изходното електрическо съпротивление на кислородния датчик намалява при значително по-висока температура на чувствителния елемент до стойност, при която датчика е способен да променя опорното напрежение. Поради нарастналото електрическо съпротивление, размаха на изходното напрежение на сигнала от кислородния датчик намалява. Стареещият кислороден датчик лесно може да бъде забелязан по осцилограмите на изходния сигнал, когато потока и температурата на отработените газове се понижават. Това са режимите на празен ход и малко натоварване. Практически остарелия кислороден датчик все още работи на движещ се автомобил, но след като натоварването на двигателя се понижи (празен ход), размаха на сигнала бързо намаява до пълно изчезване на колебанията. Напрежението на изходният сигнал става почти стабилно, неговата стойност става близка до опорното напрежение 300 600 mV.

В случай на значително повишение на температурата на чувствителния елемент на датчика, изходното електрическо съпротивление намалява и способността му да отклонява опорното напрежение нараства. От тази особеност на кисородният датчик диагностика може да се възползва, като повишава температурата и скоростта на потока на отработените газове чрез увеличаване на натоварването или оборотите на двигателя, нагрявайки по този начин чувствителния елемент на датчика до значително по-висока температура. Ако в този режим на работа на двигателя осцилограмата на изходния сигнал показва нормални стойности, това означава, че кислородния датчик все още е способен да обезпечи близък до зададения състав на работната смес по време на движение на автомобила. При това собственикът на автомобила не забелязва повишения разход на гориво и понижаването на мощността и пъргавината на двигателя, но работата на двигателя на празен ход може да бъде неустойчива, може да се появи колебание на оборотите на празен ход.

Понякога се среща незправност на кислородния датчик, предизвикваща появата на отскоци на напрежението на изходния сигнал с отрицателна полярност. В случай на появата на такава неизправност, разхода на гориво много силно нараства, пъргавината на двигателя значително намалява, при рязко подаване на газ се наблюдава изхвърляне на сажди от ауспуха, работната повърхност на запалителните свещи се покрива със сажди. Неизправността възниква вследствие на вътрешна, а понякога и външна разхерметизация на кислородния датчик. Чувствителният елемент на датчика сравнява нивото на кислород в отработените газове и в атмосферния въздух. В случай на възникване на значителна разлика на нивото на съсдържание на кислород в камерата с атмосферен въздух и отработените газове, датчика генерира напрежение ~1V. Полярността на напрежението зависи от това, в коя от камерите се е понижило нивото на съдържание на кислород. В изправна система нивото на съдържание на кислород се изменя само от страна на отработените газове и само в посока намаляване. Нивото на съдържание на кислород в камерата с атмосферен въздух при това се оказва значително по-високо от нивото в отработените газове, вследствие на което датчика генерира напрежение с 1V положителна полярност.

В случай на разхерметизиране на кислородният датчик, в камерата с атмосферен въздух проникват отработени газове с ниско съдържание на кислород. В режим на спиране на двигателя (затворена дроселна клапа при въртене на двигателя с висока честота, като се подава гориво), в изпускателната система на двигателя се изхвърля почти чист атмосферен въздух. В такъв случай нивото на съдържание на кислород в изпускателната система рязко нараства и нивото на съдържание на кислород в атмос-ферната камера на датчика се оказва значително по-ниско от това в отработените газове, вследствие на което, датчика генерира напрежение 1V с отрицателна полярност. Бордовият контролер в този случай смята кислородния датчик за изправен, тъй като след пускане на двигателя и нагряването му, датчика е отклонил опорното напрежение и го е понижил до ~0V. Такова изходно напрежение съответства на ниво, близко до нивото на съдържание на кислород в отработените газове и в разхерметизирана атмосферна камера на датчика. За бордовият контролер това означава обеднена горивна смес. Вследствие на това, бордовият контролер обогатява сместа. По този начин разхерметизацията на кислородния датчик води до повишаване разхода на гориво. При това много системи за самодиагностика не могат да забележат тази неизправност.

Описание работата на кислороден датчик от титанов оксид
Напрежението на изходният сигнал на кислороден датчик от титанов оксид се променя в диапазона от 10mV¸100mV до 4V¸5V. На изменението на състава на изпусканите газове такъв датчик реагира с изменение на своето електрическо съпротивление Съпротивлението на датчикът е високо при ниско съдържание на кислород в отработените газове (обогатена смес) и рязко се понижава при обедняване на сместа. За сметка на това датчикът шунтира постъпващото от бордовия контролер през резистор с постоянно електрическо съпротивление опорно напрежение 5V. Изходният сигнал от такъв тип датчик много по-бързо реагира на изменение на нивото на съдържание на кислород в отработените газове в сравнение с времето на реакция на датчик от циркониев оксид.

Описание работата на широкополосен кислороден датчик
Изходният сигнал от широкополосен кислороден датчик за разлика от датчиците с две нива, дава информация не само за посоката на отклонение на състава на работната смес от стехиометричната, но и нейната числена стойност. Анализирайки нивото на изходния сигнал, бордовият контролер разчита числената стойност на коефициента на отклонение на състава на работната смес от стехиометричната, което на практика се явява коефициента ламбда. За широкополосните датчици производство на BOSCH изходното напрежение от чувствителния елемент на датчика (черния проводник спрямо жълтия) се изменя в зависимост от съдържанието на кислород в отработените газове и от стойността и полярността на електрическия ток, протичащ в кислородната помпа на датчика (червения проводник спрямо жълтия). Бордовият контролер генерира и подава на кислородната помпа на датчика електрически ток, стойността и полярността на който обезпечава поддържане на изходното напрежение на чувствителния елемент на датчика на зададеното ниво (450mV). Ако двигателят работеше с горивна смес със стехиометричен състав, то бордовия контролер би подал на червения проводник напрежение, равно на напрежението на жълтия проводник, и токът, протичащ през червения проводник и кислородната помпа на датчика, би бил равен на нула. При работа на двигателят с обеднена смес, бордовия компютър подава на червения проводник положително напрежение спрямо жълтия проводник, и през кислородната помпа започва да тече ток с положителна полярност. При работа на двигателят с обогатена смес, бордовия контролер променя полярността на напрежението на червения проводник, като тока през кислородната помпа също става с отрицателна полярност. Големината на тока, протичащ през кислородната помпа, определен от бордовия контролер, зависи от стойността на отклонението на състава на сместа от стехиометричната.

В електрическата верига на кислородната сонда е включен измервателен резистор, пада на напрежение върху който е мярка за нивото на съдържание на кислород в отработените газове.

Ред за проверка изправността на ламбда датчика

  1. Определят се контактите. В зависимост от системата може да има един, два, три или четири контакта:

1.1.              Заземяване на нагревателя на кислородния датчик (бял?);

1.2.              Захранване на нагревателя на кислородния датчик (бял?);

1.3.              Сигнален извод от ламбда сонда (обикновено черния кабел);

1.4.              Заземяване на самия датчик (обикновено сив).

  1. Проверка на нагревателя на кислородния датчик, ако има такъв. Проверява се за наличие на напрежение в захранващия контакт на нагревателя, равно на напрежението на акумулатора - 12V. Ако липсва напрежение се проверяват проводниците, водещи към релето или към контактния ключ. Проверява се и връзката на нагревателя на кислородния датчик със заземяването.
  2. Двигателят се загрява до работната температура.
  3. За 30 секунди се поставя в режим на работа 3000 об/мин. Това ще повиши температурата на датчика, т.е. той ще се включи.
  4. Оборотите на двигателя се поддържат на ниво 2500 об/мин. Ако двигателят работи продължително на празен ход, кислородният датчик ще изстине и ще се изключи.
    Забележка: При дефектен термостат този тест не може да бъде извършен.
  5. Определя се вида на кислородния датчик – циркониев, титанов или широкополосен.
  6. Проверява се изходния сигнал на кислородния датчик.

7.1.              Циркониев датчик преди катализатора.
ЗАБЕЛЕЖКА: Цифровият волтметър ще покаже средна стойност на напрежението примерно 450mV. “Бавният” кислороден датчик може да се включва правилно и да не се забележи, че напрежението е малко по-високо. Осцилоскопът е най-подходящият уред, с който могат да се открият повечето от неизправностите. Не е подходящо използването на волтметър или кодочетец.
При положение че датчика е изправен в режим на празен ход на осцилоскоп ще се видят равномерни, близки до синусиодалната форма колебания с честота 1Hz÷5Hz с най-малка стойност на сигнала 0.1V, максимална стойност на сигнала 0.9V. Това ще са колебания около средно ниво 0.45V. Продължителноста на фронтовете на сигнала не е по-голяма от 250ms. Същия сигнал само че с по-висока честота трябва да се наблюдава и при по-високи обороти на двигателя.

7.2.              Циркониев датчик след катализатора.
При изправен катализатор сигнала от него ще е близък до права линия на ниво 0.5V….0.6V. С цифров волтметър също може да се измери изходното напрежение на този датчик. Ако сигнала е променлив и близък по форма със сигнала от датчика преди катализатора означава че е неизправен катализатора.

7.3.             Титанов датчик преди катализатора.
При положение че е изправен на осцилоскоп в режим на празен ход ще се видят колебания на сигнала в диапазона от 0.2V до 4.5V, и с по-стръмни фронтове сравнение със цирконивия. Цифровият волтметър ще покаже средна стойност на напрежението около 2V.

Измервания с осцилоскоп
  • Активният край на сондата на осцилоскопа се свързва със сигналният изход на кислородния датчик, а масата – към заземяването на двигателя.
  • Повтарят се всички процедури по подгряването на двигателя, описани по-горе.
  • Сигналите за нормална работа на кислороден датчик от циркониев оксид който е поставен преди катализатора са показани на фиг. 2 и фиг. 3.


Фиг. 2

Фиг. 3

Сигнал за нормална работа на кислороден датчик от титаниев оксид е показан на фиг. 4.

Фиг. 4

Сигналите, които трябва да наблюдавате при обеднена и обогатена горивна смес са показани съответно на фиг. 5 и фиг. 6.


Фиг. 5

Фиг. 6

Важно допълнение
Освен всичко изброено по-горе трябва да се замислите за смяна на O2 и при следните случаи:
  • Ако при циркониев датчик продължителноста на фронта на сигнала която се наблюдава на осцилоскоп превишава 350ms
  • Най-ниската стойност на пулсациите е по-висока от 0.2V
  • Максималната стойност на сигнала е под 0.8V.
Обаче, преждевремен е извода за смяна на O2датчика ако се вземе единствено на базата на това че изходното му напрежение е прекалено ниско. Това може да се дължи на прекалено бедна горивна смес поради засмукване на въздух, а датчика да няма вина за това.
Така също ако O2 датчика е с подгряване то преди да се предприеме смяна на датчика трябва да се провери съпротивлението на нагревателя и дали до нагревателя достига 12V.

 


Меню